SinusLeistungsSteller - elektronischer BatterieSchalter (EBS) |
Dezember 2012: Hier möchten wir die ersten Prototypen(!) unseres neuen elektronischen BatterieSchalters (EBS) vorstellen. (Gründe und Notwendigkeit für dieses neue Gerät können hier nachgelesen werden: Motivation/Beschreibung ) Das nur ca. 100g leichte und nur (77x42x18)mm große Modul ist Hauptschalter und Sicherung in einem Gerät. Der Arbeitskontakt ist mit massiven M8-Gewindebuchsen ausgeführt und hat in der gezeigten unidirektionalen 200A-Version (EBS-60-200DC) einen Durchgangswiderstand von nur 1 mOhm (von Anschluß zu Anschluß gemessen; der Rdson des internen MOSFETs beträgt typisch nur ca. 0,6 mOhm). Zur Abführung der noch anfallenden Verlustwärme ist die Leistungselektronik auf dem von cSLS und SLS bekannte Kühlkonzept aufgebaut. Bei Bedarf ist somit die Montage auf einem Kühlkörper möglich. Sollte es durch schlechte oder fehlende Kühlung zu einer Übertemperatur kommen, schützt sich das Modul durch Abschaltung des Arbeitsstroms. Der fließende Strom wird im Betrieb ständig gemessen und auf Überschreitung der eingestellten Schwelle überwacht. Die Abschaltschwelle der Sicherungsfunktion kann eingestellt werden (Poti links/unten) und reagiert präzise, reproduzierbar und innerhalb von wenigen Mikro-Sekunden. Selbst ein direkter Kurzschluß auf der Lastseite führt so zu einer sofortigen Abschaltung ohne daß es zu großer Funkenbildung (oder gar einem Lichtbogen) kommt. Selbstverständlich werden wir auch eine festverdrahtete Auslöseschwelle (ohne Poti) anbieten. Die Ansteuerung erfolgt über einen zum Lastkreis hin galvanisch getrennten Steuereingang. Durch diese potentialfreie Ansteuerung kann der Arbeitskontakt sowohl als Highside- als auch als Lowside-Schalter verwendet werden. Der ON-Steuerkreis (Pin 3,4) arbeitet mit einem Konstantstrom von ca. 20mA aus einer Spannung von 8V bis maximal 60Vdc. Damit ist es möglich die Steuerspannung wahlweise direkt aus dem Hauptakku (wie im Anschlußschema unten gezeigt) oder über eine andere zur Verfügung stehende (auch potentialfremde) Hilfspannung zu beziehen. Die intern realisierte Konstantstromquelle unterstützt den Anschluß einer LED zur Anzeige des EIN-/AUS-Zustands (z.B. in einem Bedienpult o.ä.). Da ein konstanter Strom fließt, ist im gesamten Spannungsbereich von 8..60V kein LED-Vorwiderstand nötig. Selbstverständlich können auch mehrere LED in Reihe geschaltet werden. Dabei ist jedoch zu beachten, daß dadurch die untere Schaltschwelle des ON-Eingangs entsprechen der Flußspannung der LEDs angehoben wird. Auch der Error-Ausgang (Pin 1,2) arbeitet im Spannungsbereich von 8..60Vdc und begrenzt den Strom ebenfalls auf ca. 20mA. Mit einem einfachen LED (kein Vorwiderstand nötig!) ist es damit möglich, das Auslösen der elektronischen Sicherung zu signalisieren. Der Error-Sromkreis ist sowohl gegenüber dem Lastkreis als auch gegenüber dem ON-Steuerkreis galvanisch getrennt. Eine wichtige Rolle im Abschaltverhalten spielt die Induktivität der Zuleitung. Einerseits ist sie gewünscht, um die Geschwindigkeit des Stromanstiegs bei Kurzschluß zu bremsen. Andererseits speichert die Zuleitungsinduktivität Energie nach W=0,5*L*I², wobei der Strom quadratisch eingeht und bei Kurzschluß ohnehin recht groß werden kann. Diese Energie muß beim Abschalten vom MOSFET in Wärme umgewandelt werden und darf daher die im Datenblatt des MOSFETs angegebene "Avalanche Energy" nicht überschreiten. Es ist also nötig, die Zuleitungsinduktivität (und damit die Zuleitungslänge) sowohl nach unten (=minimale Zuleitungslänge) als auch nach oben (=maximale Zuleitungslänge) zu begrenzen. Dazu passend ein paar Signalverläufe von Strom (rot, 50A/Div), Spannung über EBS-Klemmen (blau, 20V/Div) und Leistung (grau, 2kW/Div) einmal mit L=2µH (oben, steile Strom-Anstiege) und einmal mit L=10µH (unten, flache Strom-Anstiege). In der linken Spalte wird bei kurzgeschlossenen Ausgang eingeschaltet - in der rechten Spalte wird zunächst eingeschalten und erst dann der Kurzschluß am Ausgang hergestellt. In allen 4 Signalverläufen (die mit identischer Zeitauflösung von 10µs/Div aufgenommen wurden) ist ein Überschwingen des Stroms über die eingestellte Triggerschwelle der elektronische Sicherung (hier 100A) zu erkennen, die sich aus der Reaktionszeit der Schaltung erklärt. Bei kleinem L und Kurzschluß nach dem Einschalten (Bild rechts-oben) ist sowohl das Strom-Überschwingen (I_peak=280A) als auch die Abschaltleistung (P_peak=11,75kW!!) am größten und stellt damit den kritischten gemessenen Fall dar. Glücklicherweise liegen die zulässigen Grenzen der Induktivität im Bereich dessen, was man bei realistischen Anwendungen erwarten kann. Umgerechnet auf zulässige Leitungslängen erhält man als groben Richtwert ca. 2 bis 20 Meter. Eine Variante mit integriertem Sollwertgeber (SG) existiert auch schon! Diese Option macht bei allen Akku-betriebenen Fahrzeugen Sinn, die eine direkte manuelle Geschwindigkeitsvorgabe durch den Fahrer benötigen. Der Anschluß des Sollwert-Potis erfolgt über eine Erweiterung des Steuerkreissteckers (grün). Der 3-polige Servosignal-Ausgang wird direkt aus dem Verguß herausgeführt. Die restlichen Funktionen sind identisch zum oben beschriebenen Basis-Modul. Der integrierte Sollwertgeber versorgt sich aus dem ON-Steuerkreis, schaltet sich also zusammen mit dem EBS-Modul ein/aus. ... tbc! ... Ein bidirektionales EBS-Modul mit 150A (mit 2 antiseriell geschalteten MOSFETs) befindet sich ebenfalls schon im Bau und wird noch vor Weihnachten getestet werden. Wir werden hier darüber berichten ... |